直流断路器临界负载电流分断特性的研究
电子质量
2021年第01期(总第406期)
作者简介院陈棋炜(1993-)，男，助理工程师，本科，研究方向为低压电器检测技术。
直流断路器临界负载电流分断特性的研究
Study on Critical Load Current Breaking Characteristics of DC Circuit Breaker
陈棋炜(福建省产品质量检验研究院，福建福州350002)
Chen Qi-wei (Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality,Fujian Fuzhou 350002)
摘要：是否能够可靠地分断临界负载电流是衡量直流断路器性能的一个重要指标。按照直流断路器相关标准中规定的试验电流制定了试验方案，对分断不同试验电流产生的过电压和燃弧时间进行分析，总结了过电压和燃弧时间的变化规律，为低压直流断路器生产制造提供参考。关键词：直流断路器；临界负载电流；燃弧时间；过电压中图分类号：TM561
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2021)01-0087-03
Abstract :Whether the critical load current can be broken reliably is an important index to measure the perfor-mance of DC circuit breaker.The testing plan is made according to the test current stipulated in the relevant standard of DC circuit breaker,the overvoltage and arc time generated by breaking different test currents are analyzed,and the changing rules of overvoltage and arc time are summarized,which provide reference for the production and manufacture of Low-voltage DC circuit breaker.Key words:DC circuit breaker;critical load current;arc time;overvoltage CLC number:TM561
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2021)01-0087-03
0引言vivo s5
直流电源有诸多交流电源没有的优点，
因此被广泛应用在各个领域[1]。直流断路器作为其中的开关元件，能够可靠地分断直流电弧就显得尤为重要。
文献[2]通过对直流断路器的临界负载电流进行测试，发现产品有时不能可靠分断电流，提出国标中应增加对直流断路器临界负载电流的考核。文献[3]在DC 1000V 的条件下，研究了增大负载时间常数对临界负载电流变化的影响。研究发现随着时间常数增大，
燃弧时间也随之增大，并且临界负载电流有往小电流转移的趋势。文献[4]以辅助触头为研究对象，用自主研发设计的平台从时域、频域以及谐波方面分析直流分断过电压。
目前对临界负载电流和直流过电压的研究很多，
但少有对临界直流负载电流的分断特性展开研究。本文以实测直流断路器接通分断试验波形为依据，研究了分断临界负载电流时过电压和燃弧时间的变化规律。
1燃弧和过电压产生机理
直流电流由于没有过零点，
熄灭直流电弧比交流电弧来的更加困难。临界负载电流因其电流小，自励磁场小，在灭弧栅片中由磁通产生的吸力不足以将电弧吸入灭弧室内。在以空气为灭弧介质的情况下，
多是以空气消电离的方式灭弧或是用磁铁外加磁场将电弧拉入灭弧室以实现灭弧。临界负载电流的分
断往往伴随着过电压和燃弧时间过长的现象，过电压一方面可能将电气设备的绝缘击穿，另一方面可能击穿弧隙，
使电弧继续87
燃烧，造成触头烧蚀严重或烧毁其他部件引发破坏性事故。
图1所示为直流断路器分断直流等效电路图。
图1直流断路器分断直流等效电路图
按照回路可列出微分方程：
U h=E-I h R-L d I h
d t
(1)
式(1)中：U h--直流断路器触头两端的电压；
I h--回路电流；
E--直流电源电动势；
R--阻性负载；
L--感性负载。
将式(1)等号两边乘以I h d t再进行积分，t=0时，I h=I ho(I ho为电弧开始产生时的电流)t=t rh(t rh为燃弧时间)，I h=0。可得：
t
∫I h U h d t=t0∫I h E d t-t0∫RI2h d t+LI2h02(2)
燃弧时间是描述电弧特征的关键参数[5]。由式(2)可知弧柱的能量需要一定的时间释放，电感或电源电动势越大，电弧越难熄灭。电弧中消耗的能量加上电阻消耗的能量等于电源供给的能量加上电感中储存的能量[6]。
过电压产生的情况有两种，一种是产品灭弧性能太好，燃弧时间短，电弧电流在短时间内迅速下降到零并由此使电感产生很大的自感电动势，最后弧隙两端以及相连接的线路和电气设备所承受的电压为自感电动势与电源电动势之和。
根据图1可知过电压U g的计算公式：
U g=U h=E-I h R-L d I h
d t
(3)
一般而言I h接近零时U g最大，由此可得：
U g max=E-L d I h
d t |I
(4)
另一种是在气体的强烈消电离作用下，电流减小到一定程度被忽然截断，转而流入并联在弧隙两端的线路电容C上，电容C再对电感L和电源放电，经过几次衰减振荡后电压稳定在电源电动势数值。当被截断的电流为I0时，此时电弧电压为U0，按能量平衡原理得出：
1 2CU2
g max
=1
2
CU2
C max
系统不能关机=1
2
LI2
+1
2
CU2
(5)
式(5)中U g max、U C max--分别为弧隙两端、电容C上的电压峰值。
在最糟糕的情况下的过电压的峰值为：
U g max=L C I2
+U2
√(6)
2试验及分析
俄黑海舰队倾巢而出 外媒分析3种可能制定试验方案，样品选用某厂家同一批次生产的
1P直流断路器，额定参数为DC80V、125A，接线区分正
负极。按照IEC60947-2:2016中8.3.9条款的临界负载
电流试验内容规定，试验电压为额定电压，时间常数为
2ms，电流分别在4A、8A、16A、32A、63A的情况下进行5
次接通分断操作。平均燃弧时间最长且不超过1S的电
流为该样品的临界负载电流[7]。
各电流下的接通分断波形如图2所示，燃弧时间如
表1所示。由表1可知临界负载电流的燃弧时间有时会
偏离均值，说明产品灭弧性能存在一定的随机性。过电
压的放大波形如图3所示，通过图3电压不断衰减振荡
的形态可知该样品过电压的成因是消电离的作用，且过
电压的峰值近4倍于额定电压。
(a)4A
(b)8A
保湿精华液排行榜(c)16A
(d)32A
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(e)63A
图2各电流下接通分断波形
图3分断4A电流过电压放大波形
表1燃弧时间表
按照实测的数据绘制临界负载电流与5次接通分断操作的平均过电压的曲线如图4所示，绘制临界负载电流和平均燃弧时间的曲线，如图5所示。由绘制的曲线图可得到规律，随着试验电流的增大，分断临界负载电流产生的过电压越来越小。随着试验电流的增大，以负载的临界电流燃弧时间为峰顶，两侧递减，呈山峰状分布。16A作为该样品的临界负载电流不仅燃弧时间长还伴随着较高的过电压。
图4临界负载电流与平均过电压曲线
图5临界负载电流与平均燃弧时间曲线
3结论
本文以1P，DC80V，125A的直流断路器为研究对象，分析其在临界负载电流下的分断特性得出结论：(1)临界负载电流的分断过电压随着电流增大而逐渐减小。(2)各临界负载电流的燃弧时间和电流呈山峰状分布。(3)经试验发现，负载的临界电流是一种伴随着燃弧时间长，过电压高现象的电流。今后临界负载电流的研究方向将以外加各种手段减小分断过程中产生的过电压和燃弧时间。本文尚未考虑不同电压等级下对临界负载电流分断特性的影响，将在后续试验中展开研究。
参考文献：
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[5]崔芮华，李超，李振平.磁场作用下分断初速度对直流分断电弧两相燃弧时间影响的研究[J].电器与
能效管理技术,2016,(22):6-9,49.
[6]许志红.电器理论基础[M].北京：机械工业出版社,2014.
[7]IEC60947-2:2016.Low-voltage switchgear and control-gear-Part
国内的旅游胜地2:Circuit-breakers[S]. 89

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